ex12o2單點(diǎn)計(jì)算和優(yōu)化結(jié)果分析

1、Ex12 O2 單點(diǎn)計(jì)算和優(yōu)化結(jié)果分析前面幾節(jié)，我們講解了 O2 單點(diǎn)計(jì)算的輸入文件的一些細(xì)節(jié)部分。這一節(jié)我們主要講解一下O2 的分子結(jié)構(gòu)分析以及如何初步進(jìn)行構(gòu)型優(yōu)化計(jì)算。首先提交 O2 靜態(tài)計(jì)算任務(wù)，運(yùn)行， 等待結(jié)束。如果你的任務(wù)出錯(cuò)，請跟大師兄的輸入文件進(jìn)行對比、改正，直至計(jì)算正常結(jié)束。如下圖：任務(wù)結(jié)束后查看 OSZICAR從 OSZICAR 最后，得到體系的磁矩為 2B，你應(yīng)該知道這個(gè)磁矩是怎么回事，由哪兩個(gè)電子貢獻(xiàn)。如果不知道，看下圖：O2 的分子結(jié)構(gòu)：看完該圖，相比大家心里對于 O2 的成鍵方式有了一個(gè)更加深刻的印象。我們對比下 VASP的輸出結(jié)果。首先：分析 的排布情況：在這里，你

2、會(huì)發(fā)現(xiàn)能帶 3 和 4 是簡并的，應(yīng)該是 （p2x）和 (p2y） 軌道中的 。能帶 5 對應(yīng)的應(yīng)該是 (2pz) 的。在 O2 分子的構(gòu)型中，兩個(gè) O 原子的 2pz 軌道以頭碰頭的方式形成一個(gè)鍵，其能量要比 2px（2py）以肩并肩方式形成的鍵能量要低。但是，能帶 5 的能量（-13.3126）比 3 和4 的（-13.3870）要高些，這與 O2 的構(gòu)型不一致，表明 VASP 的單點(diǎn)計(jì)算結(jié)果是不可靠的。再看一下 的排布情況：能帶 4 和 5 對應(yīng)的是應(yīng)該是 （2px） 和 （2py） 軌道中的。且總的軌道能量與前面圖中一致，這說明 VASP 對的描述是合理的。為什么出現(xiàn)這樣的情況呢？難道

3、跟前面 O 原子的計(jì)算一樣，VASP 又算啦？不是的，VASP 怎么著也是個(gè)老牌的，響當(dāng)當(dāng)?shù)挠?jì)算程序，總不能讓人每天指著鼻子罵算不準(zhǔn)！這里的主要是：來自于實(shí)驗(yàn)的鍵長值未必就是計(jì)算程序所認(rèn)可的。也就是說，實(shí)驗(yàn)值和理論值之間偏差，實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)不能直接用來計(jì)算其性質(zhì)，只可以作為一個(gè)理想的初始值。所以，O2 的分子結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化一下。VASP 優(yōu)化的時(shí)候，需要用到一個(gè)參數(shù)：IBRION官網(wǎng)的話：IBRION determines how the ions are updated and moved. 也就是說 IBRION這個(gè)參數(shù)決定了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程。當(dāng)你去官網(wǎng)查看的時(shí)候（google 搜索 VASP I

4、BRION 這兩個(gè)很多值。），會(huì)發(fā)現(xiàn) IBRION 有想要正確進(jìn)行計(jì)算，你就需要去硬著頭皮去了解各個(gè)值的含義了，這個(gè)過程必須去做，只聽別人的建議去設(shè)置參數(shù)，而不去主動(dòng)學(xué)習(xí)的，你的能力永遠(yuǎn)得到提升！來說，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的時(shí)候有 3 個(gè)選擇：IBRION=3：你的初始結(jié)構(gòu)很差的時(shí)候； IBRION=2：共軛梯度算法，很可靠的一個(gè)選擇，來說都用它。IBRION=1：用于小范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的搜索。如果你的體系遇到結(jié)構(gòu)不收斂的時(shí)候，可以嘗試下?lián)Q下 IBRION 的參數(shù)。下面，我們在 INCAR 中加上 IBRION 參數(shù)（IBRION=2），其他輸入文件保持不變，重新進(jìn)行計(jì)算：你會(huì)發(fā)現(xiàn)任務(wù)很快就算完了。而且只有一步

5、，難道輸入的結(jié)構(gòu)就是 VASP 計(jì)算出來的的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)嗎？有這種可能，但幾率極低。在這個(gè)例子里，如果你看下OUTCAR 中的構(gòu)型，發(fā)現(xiàn)它的和前面的單點(diǎn)計(jì)算一樣。這說明，vasp 并沒有優(yōu)化，而是又運(yùn)行了一次單點(diǎn)計(jì)算。為什么呢？ 這是因?yàn)榱硪粋€(gè)參數(shù)：NSW。NSW幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化的步數(shù)。也就是 VASP 進(jìn)行多少離子步。官網(wǎng)查看下 NSW 選項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)默認(rèn)值是 0，也就是沒有進(jìn)行優(yōu)化。（默認(rèn)值，也叫缺省值，英文里面是Default。意思是，如果你不輸入這個(gè)參數(shù)，程序?qū)⒛J(rèn)使用的數(shù)值）現(xiàn)在找到了，繼續(xù)優(yōu)化吧：那么 NSW 怎么設(shè)置呢？首先，它必須是大于等于 0 的整數(shù)。其次，來說，簡單的體系 200就可以

6、正常結(jié)束。不知道什么時(shí)候收斂，初始結(jié)構(gòu)很差，或者設(shè)置了很嚴(yán)格的收斂標(biāo)準(zhǔn)，那么你就要增大一下 NSW 了，比如 NSW=500 或者更大。因?yàn)槲覀兊倪@個(gè)例子很簡單，設(shè)置了 NSW=10（你也可以設(shè)置為 100,200 或者 500，響計(jì)算結(jié)果的。）影計(jì)算完成后，打開 OSZICAR：可以看到，結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了 3停止了（如果你設(shè)置了 NSW=1000，那么也是 3 步結(jié)束）。其中，每一又包含了若干步。此時(shí)的你應(yīng)該知道是什么參數(shù)優(yōu)化的結(jié)束，如果不知道請查看前面關(guān)于收斂的文章（Ex9）。思考一下：同樣優(yōu)化 200 步，設(shè)置 EDIFF=1E-7 和 EDIFF=1E-4 會(huì)有什么區(qū)別呢？查看下 OUT

7、CAR你會(huì)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化過后，OUTCAR 中的占據(jù)狀態(tài)調(diào)整過來了，的保持不變。這說明計(jì)算了，優(yōu)化起作用了。那么優(yōu)化過后的結(jié)構(gòu)怎么查看呢？鍵長又是多少呢？下面我們又要開始掌握另一個(gè) VASP的輸出文件了：CONTCARCONTCAR 是 VASP 的一個(gè)輸出文件，它包含了 VASP 計(jì)算中最后一步幾何優(yōu)化的結(jié)構(gòu)信息，也就是優(yōu)化完的結(jié)果。它也是文本格式，可以直接打開查看，如圖：怎么才能知道優(yōu)化完的 O-O 鍵長是多少呢？1 通過坐標(biāo)直接算：此時(shí)，要注意 CONTCAR 輸出的是 Direct 坐標(biāo)，也就是分?jǐn)?shù)坐標(biāo)，需要轉(zhuǎn)換成笛卡爾坐標(biāo)。xy 兩個(gè)方向不用考慮，y 方向的坐標(biāo)相減即可:(0.13727

8、26038964550-(-0.0016546263683629)*8.9 = 1.2364523493568791 （Å）保留 3 位后，為 1.236 Å。2 使用可視化：常用的有 p4vasp，VESTA，VMD，MS，ASE-gui 等，這里簡單講解一下 p4vasp 的用法。打開 VASP 后的界面如下： 注意圖中的三個(gè)問號部分，后面會(huì)進(jìn)行對比：點(diǎn)擊 左側(cè)欄中的 Open 選項(xiàng)：下圖中，左側(cè)點(diǎn)擊進(jìn)入 CONTCAR 所在的目錄，進(jìn)入后，在右側(cè)會(huì)顯示 CONTCAR雙擊右側(cè)的 CONTCAR, 你會(huì)發(fā)現(xiàn)之前的三個(gè)問號？部分發(fā)生了變化：顯示的 O 表明 VASPCON

9、TCAR。點(diǎn)擊左側(cè)的 Show 按鈕，查看結(jié)構(gòu)：可視化界面的基本操作：鼠標(biāo)左鍵按住不放，可以 3旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；鼠標(biāo)中間摁住不放，可以上下，左右移動(dòng)結(jié)構(gòu)： 鼠標(biāo)右鍵摁住不敢，動(dòng)動(dòng)鼠標(biāo)可以縮放結(jié)構(gòu)；選擇合適的觀察位置：123把鼠標(biāo)移動(dòng)到你要選中的原子上，通過空格（鍵盤上最長的鍵）用來選擇或者取消選擇原子： 選中兩個(gè)氧原子后，如下圖：選中之后，點(diǎn) Structure >Measure:顯示鍵長為 1.236452 Å，和我們手動(dòng)計(jì)算的結(jié)果一樣。1.236452.（Å）小結(jié)一下：實(shí)驗(yàn)值為 1.2075 Å，VASP 計(jì)算結(jié)果為 1.2364 Å。兩者之間的差值

10、為： 0.0289 Å，偏差為：(1.2364-1.2075)/1.2075 = 2.4%。對于理論和實(shí)驗(yàn)之間的偏差，如果小于 5%，我們可以認(rèn)為吻合的很好。有時(shí)候很多同學(xué)揪著 VASP 的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的偏差不放，誤差已經(jīng)千分之幾了，感覺心里還是不放心，有著一種全匹配不罷休的沖動(dòng)。這大可不必放在心上，如果你的結(jié)果偏離實(shí)驗(yàn)值千分之幾，直接用就可以了。"To err is human; to describe the errorproperly is sublime."- Cliff Swartz, Physics Today 37 (1999),388.對于其他

11、的程序，大家安裝后里面搜一搜，基本操作應(yīng)該很快就能掌握。擴(kuò)展練習(xí)：1 IBRION：2 NSW：3 CONTCAR：4 從頭開始重現(xiàn)本節(jié)的所有操作；5 嘗試不同的初始鍵長，運(yùn)行 vasp，查看輸出結(jié)果。 tag N tag.html總結(jié)：1）學(xué)會(huì)結(jié)合所學(xué)的化學(xué)知識，分析雙原子的構(gòu)型；2） 知道 IBRION + NSW 進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；3） 知道什么參數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的停止，以及單個(gè)離子步數(shù)；4）學(xué)會(huì)使用可視化查看輸出的幾何結(jié)構(gòu)；5）知道理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值之間沒有 100%吻合。-如果喜歡大師兄的文章，歡迎關(guān)注我們，轉(zhuǎn)發(fā)。錯(cuò)誤，直接公眾號留言指正或（遇見大師兄 217821116）討論。者如果你有的科研

12、經(jīng)驗(yàn)和心得，也歡迎給大家！此外，專注于科研思維的碰撞與科研生活的，本書中已經(jīng)詳細(xì)解釋或者指明的易出錯(cuò)部分，不建議在群中繼續(xù)咨詢，請大家認(rèn)真學(xué)習(xí)并主動(dòng)積極地去思考和練習(xí)。歷史練習(xí)Learn VASP The Hard Way （Ex11） Learn-VASP-The-Hard-Way（ex10） Learn-VASP-The-Hard-Way（ex9） Learn-VASP-The-Hard-Way（ex8） Learn-VASP-The-Hard-Way（ex7） Learn-VASP-The-Hard-Way（ex6） Learn-VASP-The-Hard-Way（ex5） Learn-VASP-The-Hard-Way（ex4） Learn-